CN112496032B - 一种30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒的轧制生产工艺 - Google Patents
一种30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒的轧制生产工艺 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于金属压力加工技术领域，具体公开了一种30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒的轧制生产工艺，包括电渣重熔、加热锻造、轧制加热、开坯机轧制开坯、锯切、连轧机组轧制、退火精整步骤。本发明通过在轧制工序前增加锻制工序、优化轧制工艺结合严格的温度控制，有效克服了现有30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢生产工艺产生的钢易开裂、组织不均匀的问题，按本发明方法制得的钢棒各方面性能优越，能满足高精尖端项目用材要求，且本发明生产效率高、成本低，能够填补国内高氮马氏体不锈钢钢棒批量化生产的空白，具有非常好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于金属压力加工工艺技术领域，具体涉及一种30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒的轧制生产工艺。
背景技术
30Cr15MoN钢是一种高氮马氏体不锈钢，强度、硬度高，耐腐蚀性、耐磨性、韧性好，因其优异性能，优先应用于大飞机、战斗机、航空航天领域。30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢是我国高精尖端国防建设常用的材料，但是其生产技术一直被国外掌控，基本依赖进口，耗资巨大，而且随时面临着禁运的风险，因此实现该钢种的国产化尤为必要。
30Cr15MoN钢作为一种高氮钢，热塑性差，加工难度大，在加工过程中很容易出现开裂报废，成材率低，目前30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢棒料都是通过锻造的方式进行加工，经试验，此种方式加工周期长、生产成本高，不仅易开裂，而且对于小规格棒料无法保证在整支棒料上的组织均匀性，很难实际应用。轧制工艺也是目前较为常见的一种钢加工方法，是将钢料置于轧辊之间，受到轧辊压力后压缩进行塑性变形的方式，与锻造方式相比，能够大大缩短工期，降低成本，且组织均匀性有所改善，但是用现有的轧制工艺加工30Cr15MoN钢，仍旧无法解决钢易开裂问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒的轧制生产工艺，通过本发明轧制生产的高氮钢钢棒不会出现开裂现象，组织均匀，各方面性能优越，能满足高精尖端项目用材要求。
为达到上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：
一种30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒的轧制生产工艺，包括以下步骤：
S1. 电渣重熔：在高压气氛中对30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢粗坯进行电渣重熔处理，制得高氮钢圆钢锭；
S2.加热锻造：将圆钢锭预热至600-700℃，然后保温，保温时间不小于2小时；再加热至1100-1220℃后对钢锭进行保温，保温时间不小于3小时；将锻造工装预热至150℃以上，然后将钢锭锻成方坯；
S3. 轧制加热：将锻造方坯装入加热炉内，预热至600-700℃，然后保温，
保温时间不小于0.5h；再升温到1180-1230℃后保温，保温时间不小于3h，出炉；
S4. 开坯机轧制开坯：在轧制前关闭轧辊冷却水，用红钢对轧辊进行预热，以每道次不超过40mm的变形量对方坯进行初轧；
S5. 锯切：用热锯将初轧得到的方坯变形的头尾部切除，锯切时将热锯的冷却水调小至正常使用的一半以下的水量；
S6.连轧机组轧制：轧制前关闭轧辊冷却水、用红钢对轧辊进行预热，在连轧机组里将坯料轧制成圆棒；
S7. 退火精整：将圆棒转移到退火炉退火，对退火后的棒料进行矫直、扒皮处理。
优选的，步骤S4中，开坯机终轧温度不得低于1000℃，低于1000℃，无法保证后续连轧中的温度。
优选的，步骤S6中，连轧机组中轧制温度不得低于930℃，低于930℃，钢易开裂且易出现带状组织。
优选的，步骤S2中，锻造采用八边四方法，所述的八边四方法即：对圆钢锭先压四个面至要求尺寸，然后将工件旋转45℃压四个面至要求尺寸，不改变旋转方向再将工件旋转45℃压四个面至要求尺寸，如此循环往复，直至将坯料锻至最终需要的尺寸（每次锻打结束时工件在截面上有八条边）。该方法可以有效减少内应力损害，防止开裂，减少带状组织的产生，使组织均匀，确保了锻制效果。
优选的，步骤S2中，锻造得到的方坯表面不得有裂纹存在，如有必须修磨干净。采用八边四方法外的其他锻造方法如四方拔长法，表面出现裂纹的可能性大，出现裂纹后必须消除防止对后续轧制造成影响。
优选的，步骤S2中，圆钢锭加热至1100-1220℃的过程升温速度不超过80℃/h。
优选的，步骤S3中，方坯升温到1180-1230℃的过程先以不超过60℃/h的升温速度加热至850-950℃，再以不超过150℃/h的升温速度加热到1180-1230℃。
优选的，步骤S7中，所述的退火工艺过程如下：加热至850-900℃保温3h，再以不超过40℃/h的降温速度降温至700-750℃，保温3-4h，然后关火随炉降温至低于600℃出炉空冷。
优选的，步骤S1中，所述的高压气氛是指通过将氮气充入密闭空间得到的压力在11Bar以上的气氛。
优选的，所述的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢按质量百分比计包括以下组分：C0.28-0.34%，Si 0.30-0.80%，Mn 0.30-0.60%，S≤0.01%，P≤0.02%，Cr 14.5-16%，Mo 0.95-1.1%，N 0.35-0.44%，Ni≤0.30%，Al≤0.035%，Ti≤0.003%，Cu≤0.25%，O≤0.0025%，余量为铁及不可避免杂质。
本发明通过电渣重熔-加热锻造-轧制加热-开坯机轧制开坯-锯切-连轧机组轧制-退火精整这一工艺过程，结合优化的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢组分配方，将粗坯制成了不开裂、组织均匀、力学性能优异的不锈钢钢棒。针对高氮马氏体不锈钢加工后易开裂、组织均匀差的问题，本发明采取以下方式解决：
首先，在轧制工序前增加锻制工序（即加热锻造步骤），增加组织的紧密性，防止后续轧制过程出现分层或者其他组织缺陷，为轧制提供良好的组织基础，也初步降低了轧制工序出现开裂和组织不均问题的可能性；更加优化的，本发明采用八边四方法进行锻制，确保了锻制后钢组织均匀性好，表面不会发生开裂。
其次，本发明对轧制过程进行了工艺优化，使钢经轧制后不易发生开裂，具体包括以下方面：①控制开坯机终轧温度不得低于1000℃，连轧机组中轧制温度不得低于930℃，以防止温度过低钢材开裂；②控制开坯时每道次变形量不超过40mm，以减少内应力，避免开裂；③开坯前以及连轧机组轧制前关闭冷却水，锯切时将冷却水调小（现有轧制工艺这些过程都会开启冷却水），以防止局部温度骤降，破坏温度均匀性而引起的钢材开裂。
此外，本发明对锻造和轧制过程进行严格的温度控制，具体包括各工序的温度范围控制、保温时间设置、加工部件和钢锭/方坯预热以及升温速度控制，有效克服高氮钢的热敏性损害，减少钢材内外的应力差，避免钢的塑性下降，降低轧制难度，在前述轧制前增加锻制工序、优化轧制工艺的基础上，确保了钢棒成品的表面质量和组织均匀性。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明轧制的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒表面质量完好，不会出现表面开裂的缺陷，极大提升了30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒在生产过程中的成材率。
2、本发明轧制的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒在整支棒料上金相组织均匀，避免了因组织不均匀导致的产品性能不合格。
3、本发明轧制的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒力学性能优异，且生产效率高、成本低，填补了国内高氮马氏体不锈钢钢棒批量化生产的空白，具有非常好的应用前景。
附图说明
图1：在实施例1制得的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒头部样的1/2半径处取试样的显微组织照片(500x)。
图2：在实施例1制得的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒头部样的1/2半径处取试样的显微组织照片(500x)。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行进一步的说明。
实施例1
本实施例为优选实施例，提供一种30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒的轧制工艺，所述的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢按质量百分比计包括以下组分：
C 0.30%，Si 0.65%，Mn 0.45%，P 0.013%，S 0.002%，Cr 15.1%，Ni 0.26%，Mo1.0%，Cu 0.06%，N 0.38%；所述的轧制工艺包括以下步骤：
S1. 电渣重熔：充氮气至空间压力达到11Bar以上，在该高压氮气气氛中对30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢粗坯进行电渣重熔处理，制得￠640mm高氮钢圆钢锭；
S2.加热锻造
a.加热：将圆钢锭预热至700℃，然后保温2h；以不超过80℃/h的升温速度加热至1220℃，然后保温5h；
b.锻造准备：修磨锻造工装使其与钢锭接触的表面平滑无毛刺，棱角部位圆弧光滑过渡；将锻造工装预热至170℃；
c.锻造：不镦粗直接拔长，采用“八边四方”法进行拔长，将钢锭锻制成横截面350x350mm的方坯，方坯表面不得有裂纹存在，如有必须修磨干净；
S3. 轧制加热：将锻造方坯装入环形加热炉，预热至700℃，保温0.5h；然后以不超过60℃/h的升温速度加热至900℃，再以不超过150℃/h的升温速度加热到1220℃，保温3h，出炉；
S4. 开坯机轧制开坯：将850二辊可逆轧机轧辊冷却水关闭，用红钢预热轧辊后，以每道次不超过40mm的变形量将坯料轧制165x165mm方坯，开坯机终轧温度1030℃；
S5. 锯切：用热锯将165x165mm方坯变形的头尾部切除，并按要求长度进行锯切；整个锯切过程将热锯的冷却水调小；
S6.连轧机组轧制：轧制前关闭轧辊冷却水、用红钢对轧辊进行预热，在连轧机组里将坯料轧制成￠65mm圆棒，连轧机组最低轧制温度950℃；
S7. 退火精整：将圆棒装入退火炉中，加热至870℃保温3h，再以不超过40℃/h的降温速度降温至720℃，保温4h，然后关火随炉降温至低于600℃出炉空冷；将退火后的棒料锯切取样检测，矫直后扒皮成￠60mm棒料。
实施例2
一种30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒的轧制工艺，所述的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢按质量百分比计包括以下组分：C 0.28%，Si 0.30%，Mn 0.30%，P 0.015%，S 0.002%，Cr 14.5%，Ni 0.15%，Mo 0.95%，Cu 0.04%，N 0.35%，O 0.001%；所述的轧制工艺包括以下步骤：
S1. 电渣重熔：充氮气至空间压力达到11Bar以上，在该高压氮气气氛中对30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢粗坯进行电渣重熔处理，制得￠640mm高氮钢圆钢锭；
S2.加热锻造
a.加热：将圆钢锭预热至600℃，然后保温2.5h；以不超过80℃/h的升温速度加热至1200℃，然后保温5h；
b.锻造准备：修磨锻造工装使其与钢锭接触的表面平滑无毛刺，棱角部位圆弧光滑过渡；将锻造工装预热至160℃；
c.锻造：不镦粗直接拔长，采用“八边四方”法进行拔长，将钢锭锻制成横截面300x300mm的方坯，方坯表面不得有裂纹存在，如有必须修磨干净；
S3. 轧制加热：将锻造方坯装入环形加热炉，预热至600℃，保温0.5h；然后以不超过60℃/h的升温速度加热至850℃，再以不超过150℃/h的升温速度加热到1180℃，保温3h，出炉；
S4. 开坯机轧制开坯：将850二辊可逆轧机轧辊冷却水关闭，用红钢预热轧辊后，以每道次不超过40mm的变形量将坯料轧制165x165mm方坯，开坯机终轧温度1050℃；
S5. 锯切：用热锯将165x165mm方坯变形的头尾部切除，并按要求长度进行锯切；整个锯切过程将热锯的冷却水调小；
S6.连轧机组轧制：轧制前关闭轧辊冷却水、用红钢对轧辊进行预热，在连轧机组里将坯料轧制成￠85mm圆棒，连轧机组最低轧制温度970℃；
S7. 退火精整：将圆棒装入退火炉中，加热至850℃保温3h，再以不超过40℃/h的降温速度降温至700℃，保温3.5h，然后关火随炉降温至低于600℃出炉空冷；将退火后的棒料锯切取样检测，矫直后扒皮成￠80mm棒料。
实施例3
一种30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒的轧制工艺，所述的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢按质量百分比计包括以下组分：C 0.34%，Si 0.80%，Mn 0.60%，P 0.02%，S 0.005%，Cr 16%，Ni 0.30%，Mo 1.1%，Cu 0.08%，N 0.44%，Al 0.035%，Ti 0.003%，O 0.001%；所述的轧制工艺包括以下步骤：
S1. 电渣重熔：充氮气至空间压力达到11Bar以上，在该高压氮气气氛中对30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢粗坯进行电渣重熔处理，制得￠640mm高氮钢圆钢锭；
S2.加热锻造
a.加热：将圆钢锭预热至700℃，然后保温2.5h；以不超过80℃/h的升温速度加热至1220℃，然后保温5h；
b.锻造准备：修磨锻造工装使其与钢锭接触的表面平滑无毛刺，棱角部位圆弧光滑过渡；将锻造工装预热至170℃；
c.锻造：不镦粗直接拔长，采用“八边四方”法进行拔长，将钢锭锻制成横截面350x350mm的方坯，方坯表面不得有裂纹存在，如有必须修磨干净；
S3. 轧制加热：将锻造方坯装入环形加热炉，预热至650℃，保温1h；然后以不超过60℃/h的升温速度加热至950℃，再以不超过150℃/h的升温速度加热到1230℃，保温3.5h，出炉；
S4. 开坯机轧制开坯：将850二辊可逆轧机轧辊冷却水关闭，用红钢预热轧辊后，以每道次不超过40mm的变形量将坯料轧制成165x165mm方坯，开坯机终轧温度1060℃；
S5. 锯切：用热锯将165x165mm方坯变形的头尾部切除，并按要求长度进行锯切；整个锯切过程将热锯的冷却水调小；
S6.连轧机组轧制：轧制前关闭轧辊冷却水、用红钢对轧辊进行预热，在连轧机组里将坯料轧制成￠100mm圆棒，连轧机组最低轧制温度980℃；
S7. 退火精整：将圆棒装入退火炉中，加热至900℃保温3h，再以不超过40℃/h的降温速度降温至750℃，保温3.5h，然后关火随炉降温至低于600℃出炉空冷；将退火后的棒料锯切取样检测，矫直后扒皮成￠95mm棒料。
对实施例1-3制得的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒进行性能测试，测试项目和测试结果如下：
①开裂情况
通过表面修磨+目视的方法检测表面质量，实施例1-3制得的钢棒表面，均未产生裂纹。
②组织状态
a.非金属夹杂物
测试方法参照ASTM E45,Method D法，测试结果如下：
b.低倍组织
测试方法参照ASTM A604中相关图谱，测试结果如下：
c.显微组织
按照SEP 1520中相关图谱进行评定，测试结果如下：
如图1和图2给出了实施例1制得钢棒的头、尾部显微组织照片，可以看到，钢棒头、尾部组织形态相同，晶粒大小一致，组织均匀性好。
③力学性能
对钢棒的硬度和抗拉强度进行测试（参照GB/T 231.1规定方法测试退火硬度，参照GB/T 230.1规定方法测试硬化性能硬度，参照GB/T 228.1规定方法测试抗拉强度，参照GB/T229规定方法测试冲击功），测试结果如下：
综上，按本发明工艺锻造的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒不会开裂；无明显组织缺陷，组织均匀性好，组织状态良好；力学性能优异。
本具体实施方式仅仅是对本发明的解释，并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读了本发明的说明书之后所做的任何改变，只要在本发明权利要求书的范围内，都将受到专利法的保护。
Claims (3)
1.一种30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒的轧制生产工艺，其特征在于：包括以下步骤：
S1. 电渣重熔：在高压气氛中对30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢粗坯进行电渣重熔处理，制得高氮钢圆钢锭；
S2.加热锻造：将圆钢锭预热至600-700℃，然后保温，保温时间不小于2小时；再加热至1100-1220℃后对钢锭进行保温，保温时间不小于3小时；将锻造工装预热至150℃以上，然后将钢锭锻成方坯；
S3. 轧制加热：将锻造方坯装入加热炉内，预热至600-700℃，然后保温，
保温时间不小于0.5h；再升温到1180-1230℃后保温，保温时间不小于3h，出炉；
S4. 开坯机轧制开坯：在轧制前关闭轧辊冷却水，用红钢对轧辊进行预热，以每道次不超过40mm的变形量对方坯进行初轧；
S5. 锯切：用热锯将初轧得到的方坯变形的头尾部切除，锯切时将热锯的冷却水调小；
S6.连轧机组轧制：轧制前关闭轧辊冷却水、用红钢对轧辊进行预热，在连轧机组里将坯料轧制成圆棒；
S7. 退火精整：将圆棒转移到退火炉退火，对退火后的棒料进行矫直、扒皮处理；
步骤S4中，开坯机终轧温度不得低于1000℃；
步骤S6中，连轧机组中轧制温度不得低于930℃；
步骤S2中，锻造采用八边四方法；
步骤S2中，锻造得到的方坯表面不得有裂纹存在，如有必须修磨干净；
步骤S2中，圆钢锭加热至1100-1220℃的过程升温速度不超过80℃/h；
步骤S3中，方坯升温到1180-1230℃的过程先以不超过60℃/h的升温速度加热至850-950℃，再以不超过150℃/h的升温速度加热到1180-1230℃；
所述的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢按质量百分比计包括以下组分：C 0.28-0.34%，Si0.30-0.80%，Mn 0.30-0.60%，S≤0.01%，P≤0.02%，Cr 14.5-16%，Mo 0.95-1.1%，N 0.35-0.44%，Ni≤0.30%，Al≤0.035%，Ti≤0.003%，Cu≤0.25%，O≤0.0025%，余量为铁及不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒的轧制生产工艺，其特征在于：步骤S7中，所述的退火工艺过程如下：加热至850-900℃保温3h，再以不超过40℃/h的降温速度降温至700-750℃，保温3-4h，然后关火随炉降温至低于600℃出炉空冷。
3.根据权利要求1所述的30Cr15MoN高氮马氏体不锈钢钢棒的轧制生产工艺，其特征在于：步骤S1中，所述的高压气氛是指通过将氮气充入密闭空间得到的压力在11Bar以上的气氛。
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